Przypuszczalnie pierwszy projekt stworzył włoski architekt Guido Antonio LonghiMariusz Karpowicz, Wileńska odmiana architektury XVIII wieku, Wydawnictwo: Muzeum Pałac w Wilanowie, Warszawa 2012, , ale projekt nowej fasady od strony południowej, szczytu i ołtarza głównego wykonał architekt Jan Krzysztof Glaubitz, który nadzorował ostateczne prace wykończeniowe do 1765 r.
Po odbudowie katedra zyskała nową orientację na osi południe-północ (wcześniejsza bazylika była orientowana z zachodu na wschód); ściany nowej świątyni obejmowały te części katedry Kuncewicza, które przetrwały eksplozję, oraz nieliczne ocalałe resztki dawnych absyd z XI wieku, które włączono w nową strukturę jako transept (nawę poprzeczną). Po drugiej stronie bazyliki zbudowano symetryczną fasadę transeptu, naśladującą oryginalną absydę. Bazylika otrzymała formę trójnawową, zyskała cechy stylistyczne późnobarokowej architektury nurtu tzw. baroku wileńskiego, bogato ozdobiono ją pilastrami, gzymsami i niszami, a z dwóch stron fasady głównej wzniesiono 50-metrowe wieże. Wymurowano typowy dla kościołów unickich ikonostas, będący raczej symbolicznym nawiązaniem do tradycji bizantyjskich, niż rzeczywiście im odpowiadający. Zainstalowano organy na chórze oraz boczne ołtarze przy kolumnach, co również nie odpowiadało tradycjom prawosławnym.